كنترل پيش بين مبتني بر فيلتر كالمن و ملاحظه اثر اشباع عملگر در كنترل فعال ساختمان نه طبقه مبناي SAC

A Kalman Filter-based model predictive control scheme with actuator saturation consideration for active control of a nine-story benchmark SAC building

كنترل پيش‌بين يك الگوريتم كنترل بهينه‌اي مي‌باشد كه نيروي كنترلي به دست آمده از اين روش با حل يك مسئله بهينه‌يابي در حضور محدوديت‌هاي سخت و نرم حاصل مي‌شود. به دليل وجود عدم‌قطعيت در معادله فرآيند و همچنين ساختار حسگرهاي حالت و از طرفي وجود محدوديت‌هايي در ظرفيت عملگرهاي كنترلي نياز به ايجاد يك فرآيند كنترلي مي‌باشد كه همه اين شرايط و محدوديت‌ها را به نحو مطلوبي در خود بگنجاند. به همين جهت، در اين پژوهش، يك روش كنترل پيش‌بين گسسته مبتني بر فيلتر كالمن و ملاحظه اثر اشباع عملگر ارائه مي‌شود. فيلتر كالمن به عنوان يك تخمين زننده حالت قادر است، حالت‌هاي نزديك‌تر به واقعيت را ارائه نمايد. از سويي اعمال محدوديت‌هاي عملكردي در فرآيند كنترل باعث مي‌شود تا اشباع عملگرها نيز به صورت بهينه ملاحظه گردند. در تحقيق حاضر، براي بررسي كارايي روش كنترلي پيشنهادي در كاهش پاسخ‌هاي لرزه‌اي از يك سازه نه طبقه فولادي مبنا (SAC) تحت بارگذاري لرزه‌اي استفاده شده است. سپس، نتايج به دست آمده از روش ارائه‌‌‌ شده با ملاحظه سه سناريوي محدوديت‌ نيروي كنترلي مختلف با نتايج حالت كنترل نشده مورد مقايسه قرار گرفته است. نتايج مطالعات عددي حاكي از عملكرد مناسب فرآيند كنترلي پيشنهادي در كاهش پاسخ‌هاي لرزه‌اي بودند. همچنين جايگزيني عملگرهاي با ظرفيت پايين به جاي عملگرهاي با ظرفيت بالا ضمن اقتصادي‌تر كردن فرآيند كنترل، از لحاظ پاسخ‌ها تغيير قابل‌توجهي در كاهش نسبت پاسخ‌هاي سيستم كنترل شده به كنترل نشده ايجاد نكردند. براي نمونه بيشترين تغييرات شاخص عملكردي نسبت دريفت (J1) براي حالت كنترل شده با محدوديت كنترلي به حالت كنترل شده بدون محدوديت كنترلي براي زلزله السنترو برابر با 4درصد بود، در حاليكه همين شرايط براي شاخص حداكثر نيروي كنترلي (J12) برابر با 78 درصد بود.

Model predictive control is one of the optimal control methods for systems based on their behavior on future horizons. One of the salient features of this control method is the optimal consideration of control constraints in the system control process. Accurate states are required to perform an optimal control performance with this technique. On the other hand, state sensors are unable to provide accurate states due to the uncertainty in their structures. This shortcoming causes problems in the optimal control process. In this study, a discrete-time Kalman filter-based model predictive control scheme with actuator saturation consideration is presented. As a state estimator, the Kalman filter is able to provide more accurate states. On the other hand, the application of performance constraints in the control process causes the saturation of the actuators to be optimally regarded. In the present study, to investigate the effectiveness of the proposed control method in reducing seismic responses, a nine-story benchmark steel structure (SAC) under seismic excitation is utilized. Then, the results obtained from the proposed method considering three different control force constraint scenarios are compared with the results of the uncontrolled case. The results of numerical studies demonstrate the appropriate performance of the proposed control process in reducing seismic responses. Also, the replacement of low-capacity actuators with high-capacity ones, while making the control process more economical, do not significantly change the other responses quantity. For example, the highest change in the Drift Ratio Index (J1) for the controlled case with control force constraints to the controlled case without control force constraints for the Elcentro earthquake is by up to 4%, while the same conditions for the maximum control force index (J12) is 78%.